曹俊紡,趙 航，吳 昊，翟曉宇

(1.中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153；2.海軍裝備部駐南京地區(qū)第二軍事代表室，南京 211153)

0 引 言

雷達信號脈沖脈內(nèi)精細分析處理由于中頻數(shù)據(jù)量大，單CPU在完成數(shù)據(jù)分析與處理功能時會導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理速度過慢，不滿足實時性處理要求。PowerPC是目前業(yè)界單片高性能的處理器芯片，其最高工作頻率達到1.5 GHz，而內(nèi)置的AltiVec模塊提供了SIMD結(jié)構(gòu)的浮點矢量運算硬件加速單元，具有很高的運算性能[1]。本文提出一種基于PowerPC的脈內(nèi)實時分析處理技術(shù)，能有效提高數(shù)據(jù)處理的速度，達到實時分析處理，具有較好的性能。

1 技術(shù)原理

1.1 4片PowerPC CPU的任務(wù)劃分與脈內(nèi)算法

本文的PowerPC型號為MPC8640，操作系統(tǒng)為VxWorks，在PC機上使用Workbench集成開發(fā)環(huán)境來開發(fā)VxWorks系統(tǒng)的程序代碼。在一塊PowerPC板卡上有4片處理器，可以使用VxWorks系統(tǒng)合理劃分各個CPU之間的任務(wù)。這樣能提高數(shù)據(jù)處理的運算速度和運行性能。為了加快脈內(nèi)特征分析處理的速度，本文對4片處理器進行如下的任務(wù)設(shè)計：

(1) CPU-A接收前端硬件FPGA發(fā)送過來的脈沖數(shù)據(jù)包，開辟4段緩存存放脈沖數(shù)據(jù)；創(chuàng)建索引，對脈沖數(shù)據(jù)解包，并將解包的脈沖結(jié)構(gòu)體變量發(fā)送給另外3個CPU中閑置的CPU；每段緩存發(fā)送完所有的脈沖數(shù)據(jù)后清空。

(2) CPU-B和CPU-C接收CPU-A發(fā)送來的脈沖結(jié)構(gòu)體變量，對脈沖中頻進行下變頻等預(yù)處理；進行脈內(nèi)調(diào)制類型識別、脈內(nèi)特征參數(shù)估測；完善PDW結(jié)構(gòu)體變量；把PDW發(fā)送給CPU-D進行匯總。

(3) CPU-D一方面處理CPU-A發(fā)送來的脈沖，進行與CPU-B、CPU-C一樣的脈內(nèi)特征分析處理步驟，將得到的PDW存放在PDW緩存區(qū)；另一方面接收CPU-B、CPU-C發(fā)送過來的PDW，按順序存放進PDW緩存區(qū)；緩存存放滿時將PDW按脈沖到達時間重新排序；進行輻射源分選等操作并及時清空緩存。

主要任務(wù)劃分如圖1所示。

圖1 4片CPU的任務(wù)劃分

可以看出，分析處理由4片CPU共同完成，CPU-A不斷地往另外3片閑置的CPU發(fā)送脈沖數(shù)據(jù)進行脈內(nèi)分析，實現(xiàn)了多處理器并行處理。對于脈內(nèi)處理時間，如果把預(yù)處理后的脈沖僅僅讓1片PowerPC CPU做脈內(nèi)特征分析，雖然編程更加簡單容易，不需要過多劃分CPU任務(wù)與設(shè)計中斷處理等操作，但單脈沖平均處理用時較長，浪費了信號處理板卡上的硬件資源。采用多片CPU并行處理，由CPU-A做預(yù)處理后發(fā)送給CPU-B、C、D同時做脈內(nèi)特征分析處理，不僅充分利用了板卡上的PowerPC CPU資源，而且一般會有2～3倍的處理加速效果。

流程設(shè)計如圖2和圖3所示。

圖2 PPC上脈內(nèi)調(diào)制類型識別的綜合設(shè)計

圖3 PPC上脈內(nèi)參數(shù)估測的綜合設(shè)計

1.2 提高處理速度的方法

為了加快數(shù)據(jù)處理速度，達到實時性，需要對多CPU并行處理做一定的改進，主要步驟如下：

Step1CPU-B、C接收到CPU-A發(fā)送來的脈沖數(shù)據(jù)時默認其為常規(guī)單載頻信號，由相位差法粗測載頻，將粗估計計算的PDW發(fā)送至CPU-D。

Step2CPU-D對CPU-A發(fā)送來的脈沖數(shù)據(jù)進行相同的粗估計操作，同時接收CPU-B、C發(fā)送來的PDW。在PDW緩存區(qū)已裝滿后將PDW按TOA排序。

Step3CPU-D根據(jù)PDW中的信息，結(jié)合直方圖或PRI變換等方法，完成分選操作，形成輻射源描述字RDW。

Step4CPU-D在RDW里搜索脈沖幅度最大的若干PDW，根據(jù)索引向CPU-A索要這些脈沖的中頻數(shù)據(jù)；CPU-A發(fā)送相應(yīng)的脈沖數(shù)據(jù)給CPU-D，CPU-D將其輸送至脈內(nèi)調(diào)制類型識別與脈內(nèi)特征參數(shù)估測模塊，對其進行脈內(nèi)特征精細分析處理，完善PDW；PDW再根據(jù)索引匹配到相應(yīng)的RDW，對輻射源信息增加脈內(nèi)特征信息。

2 實驗分析

實驗分析數(shù)據(jù)脈內(nèi)調(diào)制類型為常規(guī)單頻(NS)、線性調(diào)頻(LFM)、二相編碼(BPSK)和四相編碼(QPSK)，數(shù)據(jù)脈寬為10 μs。對于這幾種脈內(nèi)調(diào)制類型，都用了128個測試中頻數(shù)據(jù)進行PowerPC上處理總用時測試(總用時包括了脈內(nèi)分析、分選、融合等處理操作)。方法優(yōu)化前后的用時對比如表1所示。

表1 優(yōu)化前后用時對比(單位s)

由表1可以看出，優(yōu)化的方法采用粗估計及參數(shù)匹配方法進行輻射源脈沖脈內(nèi)分析，節(jié)約了時間，提升了數(shù)據(jù)處理速度。對于簡單的常規(guī)單載頻信號，總的處理用時有6～7倍的優(yōu)化。對于復(fù)雜調(diào)制的線性調(diào)頻、相位編碼等信號，總的處理用時有14～16倍的優(yōu)化。優(yōu)化效果非常明顯，實時性能相比之前有了很大提高。

對含有NS和LFM兩種不同脈內(nèi)調(diào)制類型的輻射源信號進行分析處理，給出的參考數(shù)值與處理結(jié)果如表2和圖4所示。

表2 測試數(shù)據(jù)的參考數(shù)值

圖4 兩種輻射源信號的處理結(jié)果圖

由圖4可以看出，優(yōu)化方法先將兩個輻射源分選出來，然后通過對特定的脈沖進行索要索引、脈內(nèi)分析處理的操作，對輻射源參數(shù)進行了匹配，達到了較好的效果。

最后給出適用的信噪比條件。實驗通過采集每種調(diào)制類型信號在SNR=20、15、10、5、0 dB條件下的幾組數(shù)據(jù)。多次實驗分析發(fā)現(xiàn)，這種優(yōu)化方法因脈內(nèi)精細分析的樣本減少有如下的信噪比要求：常規(guī)單載頻信號在信噪比不低于10 dB、線性調(diào)頻及相位編碼信號在信噪比不低于15 dB的情況下，可以準確做到脈內(nèi)調(diào)制類型識別與脈內(nèi)特征參數(shù)估測并完成輻射源信息修正。其他低信噪比條件下的數(shù)據(jù)調(diào)制類型識別會出現(xiàn)不同程度的錯誤率情況。因此，只要滿足一定信噪比要求，這種優(yōu)化方法就可以達到提高數(shù)據(jù)處理速度并滿足工程精度要求的目的。

3 結(jié)束語

本文提出了一種基于PowerPC的脈內(nèi)實時分析處理技術(shù)。首先對PowerPC板卡上4片CPU進行了合理任務(wù)劃分，充分利用板卡硬件資源，實現(xiàn)多處理器同時進行脈內(nèi)分析處理；分析了提高數(shù)據(jù)處理速度的具體方法，即通過先粗估計PDW分選數(shù)據(jù)來源，再對部分脈沖脈內(nèi)特征進行提取，然后對RDW參數(shù)進行匹配。對測試數(shù)據(jù)的實驗結(jié)果表明，不同調(diào)制類型信號的分析處理速度都有極大提高，實時性較好，在一定的信噪比條件下具有可行性，優(yōu)化效果非常顯著。